BAB III
METODE PENELITIAN
3.1 Tempat dan Waktu Pelaksanaan
Penelitian dilakukan di Laboratorium Elektronika, dan Laboratorium Instrumentasi Medis Departemen Fisika, Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Airlangga pada bulan Februari 2015 sampai Bulan Desember 2015. 3.2 Alat dan bahan penelitian
3.2.1 Alat penelitian
Sebagai penunjang dalam pelaksanaan, pembuatan, pengukuran, pengamatan, dan pengujian perangkat keras tomografi impedansi listrik, digunakan komputer, software Arduino, software Proteus, osiloskop, sinyal generator, multimeter, solder, penyedot timah, dan bor listrik.
3.2.2 Bahan penelitian
Bahan-bahan yang diperlukan dalam pembuatan perangkat keras EIT antara lain Arduino Deu, Arduino Uno , IC CA3240, resistor, kapasitor, dioda, kabel jumper, probe, timah, feriklorit, dan project circuit board (PCB).
3.3 Prosedur Penelitian
Prosedur penelitian Rancang Bangun Sumber Arus Listrik Multifrekuensi Pada Tomografi Impedansi Eletrik Untuk Mendeteksi
Anomali Organ Tubuh akan dimulai dengan persiapan alat dan bahan yang
pengambilan data, serta analisis data. Diagram alir penelitian dapat dilihat pada Gambar 3.1.
Gambar 3.1 Diagram alir prosedur penelitian
3.3.1. Perancangan Alat
Secara umum, diagram pembangkit sumber arus konstan tomografi impedansi listrik yang akan dibangun dapat dilihat pada Gambar 3.2. Nilai frekuensi gelombang yang ingin dihasilkan diinputkan melalui push button,
Tahap Perancangan
Perancangan Software
1. Software pada Arduino Due
2. Software pada Arduino Uno
Pengujian Alat
Pengambilan Data
Analisis Data Perancangan Hardware
1. Rangkaian Push Button 2. Rangkaian Sumber Arus
Konstan
kemudian tombal start ditekan, maka DAC akan menghasilkan gelombang sinus. Sebelum dikeluarkan, amplitudo gelombang sinus diatur oleh Arduino Due. Hasil keluaran Arduino kemudian dijadikan tegangan AC dan dikuatkan. Tegangan yang sudah dikuatkan kemudian diinjeksikan pada fantom yang merupakan satu rangkaian pembagi tegangan. Hasil pembagi tegangan kemudian dikuatkan lagi. Hasil penguatan kedua disearahkan dengan penyearah setengah gelombang dan diratakan, sehingga tegangannya bisa dibaca oleh ADC pada Arduino Uno. Hasil tegangan kemudian dijadikan perintah untuk mengatur besarnya amplitudo gelombang yang dihasilkan.
Gambar 3.2 Diagram Blok Sumber Arus Konstan Multifrekuensi
Amplitudo tegangan v yang dikeluarkan agar bisa menghasilkan arus i
objek tinggi, maka tegangan keluaran juga harus tinggi dan pada saat impedansi objek rendah, maka keluaran juga harus rendah.
(3.1)
3.3.1.1Perancangan Perangkat Keras
Perangkat keras pada tomografi impedansi listrik terdiri dari Arduino Uno, Arduino Due, rangkaian push button, dan rangkaian sumber arus konstan.
3.3.1.1.1Perancangan Rangkaian Keypad
Rangkaian keypad terdiri dari 11 push button. Push button digunakan sebagai masukan nilai untuk frekuensi. Push button yang digunakan memiliki empat kaki dengan dua kaki yang saling berhubungan dan ketika push button ditekan, maka keempat kakinya saling berhubungan. Sebelas buah push button digunakan untuk menghasilkan nilai 0 sampai 9, dan sebuah push button digunakan untuk menjadi tombol start, yaitu tombol yang menginstruksikan arduino untuk memulai menghasilkan gelombang dari DAC.
Gambar 3.3 Diagram pemasangan push button
Push button yang digunakan untuk nilai 0,1,2,3,4,5,6,7,8, dan 9 secara berurutan dihubungkan dengan pin arduino nomor 40, 46, 34, 19, 48, 36, 20, 50, 38 dan 21. Push button untuk tombol start dihubungkan dengan pin nomor 52. Gambar rangkaian lengakap push button dapat dilihat pada Gambar 3.4.
Gambar 3.4 Diagram rangkaian push button .
3.1.1.1.2Rancangan Sumber Arus Konstan
Pembagi tegangan dengan hambatan R yang konstan dan hambatan RV
yang bisa berubah yang disusun seri seperti pada Gambar 3.5 yang dicatu dengan tegangan Vi akan menghasilkan tegangan Vo pada titik B. Nilai Vo bisa didapatkan
S1
Key = Space R8
10kΩ VCC
5V
dengan Persamaan 3.2
(3.2) dengan arus I yang melalui kedua resistor tersebut yang besarnya dapat dinyatakan dengan Pesamaan 3.3.
(3.3) Persamaan 3.2 dapat dirubah menjadi persamaan 3.4.
(3.4) Ketika persamaan 3.4 dimasukkan pada persamaan 3.2, maka didapatkan
Persamaan 3.5.
(3.5) (3.6) (3.7) Jika Persamaan dimasukkan pada Persamaan 3.7, maka akan didapatkan Persamaan 3.8.
(3.8) (3.9)
Gambar 3.5 Diagram rangkaian pembagi tegangan dengan Rv yang nilainya berubah dan R yang nilainya konstan
Dari Persamaan 3.9, terlihat bahwa untuk mendapatkan nilai arus I yang konstan, maka nilai tegangan Vi harus sebanding dengan nilai hambatan Rv.
Apabila hambatan Rv naik, maka tegangan harus naik Vi dan ketika hambatan Rv
turun, maka tegangan Vi juga harus turun agar arus I tetap konstan.
Arus yang melalui Rv sama dengan arus yang melaui R, sehingga ketika
ada perubahan nilai arus akan menyebabkan perubahan nilai tegangan Vo
sebagaimana Persamaan 3.6. Dengan demikian, arus konstan bisa didapatkan dengan menggunakan sistem kontrol yang mempertahankan nilai tegangan Vo.
Dalam penelitian ini nilai arus I yang diinginkan adalah 1mA, dengan beban R yang digunakan sebesar 1kΩ. Sehingga nilai tegangan Vo didapatkan dengan
persamaan 3.10.
(3.10) (3.11) Sumber arus konstan dalam penelitian ini dibuat dengan sistem kontrol yang mengendalikan besarnya nilai tegangan yang muncul pada hambatan R. Hambatan Rv pada sistem kontrol ini adalah beban fantom yang nilai hambatanya
berubah-ubah sesuai dengan jenis bahan yang digunakan. Dalam sistem ini, perubahan beban menjadi gangguan yang menyebabkan nilai tegangan tidak konstan 1V. Bagian kontroler dalam sistem kontrol ini menggunakan Arduino Uno dan Arduino Due. Ketika ada perubahan tegangan yang terukur pada hambatan R, maka DAC akan membacanya dan nilanya akan dibandingkan dengan nilai set point. Apabila ada perbedaan nilai antara keluaran dengan set point, maka kontroler akan mengendalikan Faktor Pengali Ampiltudo sehingga
hambatan R sesuai dengan set point. Diagram blok sistem kontrol dari sumber arus konstan dapat dilihat pada Gambar 3.6.
Gambar 3.6 Diagram blok sistem kontrol Sumber Arus Konstan
3.1.1.2.1.1 Rangkaian Peubah DC ke AC
Peubah DC ke AC berguna untuk meloloskan gelombang sinus yang dihasilkan oleh DAC yang awalnya berupa gelombang DC menjadi gelombang AC. Menurut hukum Ampere, arus DC akan dihentikan oleh kapasitor dan arus sinus yang menaiki arus DC akan menjadi arus AC. Filter tersebut menggunakan kapasitor 470nF dan resistor sebesar 100k yang disusun seri. Gambar 3.7 menunjukkan rangkaian Peubah DC ke AC.
Gambar 3.7 Diagram rangkaian Peubah DC ke AC Dengan menggunakan rangkaian yang terlihat pada Gambar 3.6, maka frekuensi cut off dari peubah dapat diketahui dengan memasukkan nilai R dan C pada Persamaan 2.31, sehingga didapatkan Persamaan 3.2.
R3
(3.2)
Hz (3.3)
Dengan demikian, nilai tegangan keluaran VR dapat dinyatakan dengan Persamaan
3.4 dan 3.5.
; f > 4 (3.4) ; f < 4 (3.5) 3.1.1.2.1.2 Rangkaian Penguat Pertama
Rangkaian penguat pertama menggunakan rangkaian penguat inverting dengan penguatan 10 kali. IC yang digunakan adalah sebagai penguat adalah CA3240 yang memiliki impedansi imput sangat besar, yaitu 1,5 TΩ dan hanya membutuhkan arus yang sangat kecil, yaitu sekitar 15pA. Diagram rangakaian penguat pertama dapat dilihat pada Gambar 3.7.
Gambar 3.8 Diagram rangkaian Penguat Pertama
IC penguat operasional dirangkai menjadi penguat inverting. Resistor yang dipasang sebesar 1kΩ dan10kΩ. Jika nilai kedua resistor tersebut dimasukan pada persamaan (2.14), maka nilai penguatan dapat dilihat pada Persamaan (3.13)
(3.12)
(3.13)
sehingga penguatanya menjadi 10 kali.
3.1.1.2.1.3 Rangkaian Pembagi Tegangan
Rangkaian penguat pertama menggunakan rangkaian menggunakan reisitor R4 sebesar 1kΩ yang dihubungkan seri dengan beban. Pada rangakaian Gambar 3.5, resistor dihubungkan dengan resistor variabel. Resistor variabel tesebut digunakan untuk melihat kemampuan sumber arus konstan ketika nilai hambatan berubah. Rangakaian Pembagi Tegangan dapat dilihat pada gambar 3.8.
Gambar 3.9 Diagram rangkaian Pembagi Tegangan
Dengan menggunakan resistor sebesar 1kΩ, beda potesial VR pada ujung-ujung resistor dapat diukur secara langsung. Dengan mengetahui nilai tegangan VR , arus yang melalui beban dapat dinyatakan pada Persamaan (3.14).
(3.14)
Karena nilai R4 adalah konstan, maka jika arus mengalami penurunan, tegangan juga akan mengalami penurunan, dan ketika arus mengalami kenaikan, tegangan juga akan mengalami kenaikan.
3.1.1.2.1.4 Rangkaian Penguat Kedua
Rangkaian Penguat Kedua menggunakan rangkaian penguat inverting seperti pada rangkaian penguat pertama. Penguat pertama dan penguat kedua menggunakan dua penguat operasional yang terletak pada satu IC, karena IC CA3240 memiliki 2 penguat operational di dalamnya. Penguat Kedua
dihubungkan dengan resistor sebesar 1kΩ dan 4,7kΩ. Diagram rangkaian Penguat Kedua dapat dilihat pada Gambar 3.9.
Gambar 3.10 Diagram rangakaian Penguat Kedua 3.1.1.2.1.5 Penyearah Setengah Gelombang
Penyearah setengah gelombang menggunakan dioda ¼ watt dan kapasitor sebesar 470pF. Penggunaan dioda untuk menyearahkan gelombang sementara kapasitor berfungsi untuk menjadikan gelombang menjadi datar.
Gambar 3.11 Diagram rangkaian Penyearah Setengah Gelombang
3.1.1.3Perancangan Perangkat Lunak
.Perangkat lunak yang dibuat terdiri Program Keypad, Program Pembangkit Sinyal Sinus, dan Program Pengendali Amplitudo Tegangan Sinyal. 3.1.1.3.1Perancangan Keypad
Keypad digunakan untuk membuat input angka-angka untuk menentukan frekuensi gelombang yang digunakan. Angka yang digunakan adalah 0 sampai 9. Ketika push button pada kondisi tidak ditekan, maka pin yang berhubungan dengan push button pada kondisi HIGH, sementara ketika push button ditekan, maka pin pada kondisi LOW.
3.1.1.3.1 Pembangkit gelombang sinus
Gelombang sinus dibangkitkan dengan menggunakan DAC yang ada pada modul DAC Arduino Due. Gelombang sinus yang dihasilkan oleh DAC adalah kumpulan dari sinyal-sinyal persegi dengan amplitudo yang berbeda. Ada dua cara yang digunakan untuk membangkitkan gelombang sinus, yaitu dengan menggunakan Data dan Fungsi Sinus. Yang harus dilakukan untuk membangkitkan sinus dengan Data adalah dengan membuat data base yang berisi nilai-nilai aplitudo gelombang setiap jeda waktu tertentu. Untuk membangkitkan gelombang sinus dengan Fungsi Sinus, digunakan sebuah fungsi yang menentukan nilai amplitudo sinus pada jeda waktu tertentu.
Penggunaan Data untuk membangkitkan tegangan membutuhkan waktu setting yang lebih pendek. Namun penggunaan Data untuk membangkitkan
gelombang sinus frekuensi rendah akan membutuhkan banyak sekali data sehingga kurang menguntungkan untuk membuat gelombang sinus frekuensi rendah. Sementara Fungsi Sinus untuk membangkitkan tegangan memiliki kecepatan yang lebih rendah namun untuk memprogramnya hanya membutuhkan satu fungsi. Penggunaan Fungsi Sinus menguntungkan apabila digunakan pada frekuensi rendah.
Menurut laju Nyquist, frekuensi sampling fS minimal untuk
membangkitkan sinyal sinus dinyatakan pada Persamaan 3.15
(3.15)
sehingga periode sampling TS dinyatakan pada Persamaan 3.16.
(3.17) karena periode sampling adalah waktu sampling dalam satu periode gelombang, maka jumplah sampling sama dengan periodenya. Sehingga didapatkan sampling minimal berjumlah 12, 56, yang dibulatkan menjadi 13 sampling.
Nilai frekuensi maksimal yang dapat dihasilkan dengan menggunakan Data dapat ditentukan sebagai berikut, jika waktu setting DAC dengan menggunakan Data adalah t sekon, maka bila sampling gelombang sinus yang dinyatakan dalam jumlah data adalah sebanyak n, maka periode minimal Tmin yang bisa dihasilkan oleh DAC dinyatakan pada Persamaan (3.18)
(3.18)
dan karena f adalah 1/T, maka frekuensi maksimal yang bisa dibangkitkan DAC ditunjukkan pada Persamaan (3.19)
(3.19)
Menurut laju Nyquist, jumlah sampling minimal adalah 13, sehingga frekuensi maksimal yang bisa dibangkitkan dinyatakan pada Persamaan (3.20)
(3.20)
Untuk mendapatkan frekuensi yang lebih rendah, maka periodenya diperlama dengan menggunakan delay. Lama periode T dari gelombang yang memiliki jumlah sampling n yang telah ditambahkan waktu delay tdel dapat
dinyakan pada persamaan (3.21)
) (3.21)
(3.22) Nilai frekuensi maksimal yang dapat dihasilkan dengan menggunakan Fungsi Sinus dapat ditentukan sebagai berikut. Jika waktu setting DAC dengan menggunakan Fungsi Sinus adalah t sekon, maka bila sampling satu gelombang sinus adalah sebanyak n, maka periode minimal yang bisa dihasilkan oleh DAC dapat dinyatakan pada Persamaan (3.23)
(3.23)
Karena f adalah 1/T, maka frekuensi maksimal yang bisa dibangkitkan DAC ditunjukkan pada persamaan (3.24).
(3.24)
Menurut Laju Nyquist, jumlah sampling minimal adalah 13, sehingga frekuensi maksimal yang bisa dibangkitkan dinyatakan pada Persamaan (3.25). Nilai frekuensi yang berada diatas frekuensi maksimal ini akan dibangkitkan dengan menggunakan Data.
(3.25)
Jika digunakan nilai frekuensi tertinggi adalah fmaks, maka jumlah sampling
maksimal yang bisa dibangkitkan dalam 1 detik dapat dinyatakan pada Persamaan (3.26).
(3.26)
Dengan demikian, waktu sampling yang diperlukan dapat dinyatakan pada Persamaan (3.27)
(3.28) Diagram alir Program Pembangkit Sinyal Sinus dapat dilihat pada Gambar (3.12)
Gambar 3.13 Diagram alir Pembangkit Sinyal Sinus
3.1.1.3.2 Perancangan Perangkat Lunak Sistem Kontrol Arus Konstan
amplitudo gelombang, sementara Arduino Uno sebagai sensor umpan balik ketika ada penyimpangan pada keluaran.
3.1.1.3.2.1 Perancangan Perangkat Lunak Pada Arduino Due
Untuk mengatur amplitudo gelombang sinus yang dibangkitkan oleh DAC, maka gelombang yang dibangkitkan oleh DAC dikalikan dengan konstanta pengali. Konstanta pengali yang diberikan bernilai diantara 0 sampai dengan 1. Diagram alir Program Interup Faktor Pengali pada Arduino Due dapat dilihat pada Gambar (3.13).
Gambar 3.14 Diagram Interup Faktor Pengali pada Arduino Due
Sebaliknya, pada saat amplitudo gelombang terlalu kecil, maka Arduino Uno akan memberikan interrupt untuk menjalankan program untuk memperbesar faktor pengali sehingga amplitudo gelombang bertambah.
3.1.1.3.2.2 Perancangan Perangkat Lunak Pada Arduino Uno
Perangkat lunak pada Arduino Uno menggunakan ADC untuk membaca tegangan yang sudah diratakan. Tegangan dipertahankan pada nilai tengah ADC. ADC yang dimiliki Arduino Uno bisa membaca tegangan pada rentang 0-5volt, maka tegangan yang dipilih adalah 2,5volt. Diagram alir Program Pengendali Faktor Pengali pada Arduino Uno dapat dilihat pada Gambar (3.14).
Gambar 3.15 Diagram Pengendali Faktor Pengali pada Arduino Uno
pada nilai tegangan yang dibaca. Untuk itu, perlu uji untuk mengetahui rentang batas penyimpangan teganganya.
Pada saat tegangan lebih tinggi dari pada rentang tersebut, pin0 akan akan menjadi HIGH dan terhubung pada pin interupt Arduino Due untuk menurunkan amplitudo gelombangnya. Hal ini akan terus dilakukan sampai tegangan kembali didalam rentang yang ditentukan. Pada saat tegangan lebih rendah dari pada rentang tersebut, pin1 akan akan menjadi HIGH dan terhubung pada pin interupt Arduino Due untuk menaikan amplitudo gelombangnya. Hal ini juga akan terus dilakukan sampai tegangan kembali didalam rentang yang ditentukan. Pada saat nilai tegangan pada nilai yang ditentukan, maka pin2 akan menjadi HIGH dan menyalakan LED hijau, yang menunjukkan bahwa arus sudah pada kondisi yang seperti awal.
3.3.2. Pengujian Alat
3.3.4.1 Pengujian Waktu Setting DAC
Pengujian waktu setting DAC untuk mengetahui seberapa lama DAC mencapai nilai tegangan yang diinginkan. Pengujian ini diperlukan untuk menentukan nilai delay peda pembangkit sinyal diperlukan nilai setting time.
Pengujian setting time DAC dilakukan dengan cara memprogram pada Arduino Due untuk membangkitkan gelombang sinus dengan tanpa delay. Hasil gelombangnya dilihat dengan menggunakan osiloskop, kemudian diukur waktu untuk menghasilkan satu sampling dari gelombang sinus. Pengukuran waktu seting time dapat dilihat dari panjang bagian mendatar pada satu sampling
3.3.4.2Pengujian Linearitas DAC
Pengujian linearitas DAC digunakan untuk mengetahui kesesuaian amplitudo masukan dan amplitudo keluaran DAC. Pengujian linearitas DAC dilakukan dengan cara memprogram Arduino Due untuk menghasilkan suatu tegangan yang naik setiap 5 detik. Hasilnya dibandingkan dengan tegangan keluaran DAC yang dilihat melui osiloskop.
3.3.4.3 Pengujian Linearitas Frekuensi Gelombang Sinus Keluaran DAC
Pengujian frekuensi keluaran gelombang sinus keluaran DAC digunakan untuk mengetahui kesesuaian frekuensi yang diinputkan dengan frekuensi keluaran. Pengujian dilakukan dengan menginputkan nilai frekuensi dengan key pad dan keluaranya dilihat pada osiloskop. Hasil bentuk gelombang sinus akan
dapat dilihat periodenya, kemudian frekuensinya dihitung melalui periode yang terlihat pada osiloskop.
3.3.4.4 Pengujian Sumber Arus Konstan
3.3.4.4.1 Pengujian Peubah DC ke AC
Pengujian Peubah DC ke AC digunakan untuk mengetahui kemampuan rangkaian untuk mengubah sinyal DC menjadi sinyal AC. Pengujian dilakukan dengan masukan menggunakan sinyal keluaran dari DAC dengan frekuensi mulai dari 1Hz sampai 10000Hz. Masukan dan keluaran rangakaian Peubah DC ke AC ditampilkan pada osiloskop untuk dibandingkan nilai amplitudonya.
3.3.4.4.2 Pengujian Penguat Pertama
generator dengan tegangan 3,5mV kemudian dinaikan sampai hasil tegangan
keluaran tidak naik lagi. Tegangan masukan den tegangan keluaran dari rangkaian Penguat Pertama ditampilkan pada osiloskop.
3.3.4.4.3 Pengujian Pembagi Tegangan
Pengujian pembagi tegangan dilakukan untuk mengetahui nilai tegangan yang dibutuhkan, pengujian ini dilakukan dengan memasang resistor variabel secara seri dengan resistor 1kΩ yang ada pada rangkaian sumber arus konstan. Hasil tegangan diantara ujung-ujung resistor 1kΩ dilihat menggunakan osiloskop.
Hasil penguatan dari tegangan yang muncul pada resistor 1kΩ juga dihitung untuk melihat penguatan pada penguat kedua. Hasil pendataran tegangan juga dihitung untuk mengetahui tanggapan tegangan datar terhadap hambatan. Tanggapan tegangan datar ini yang digunakan untuk menentukan nilai tegangan yang harus dipertahankan oleh Arduino.
3.3.4.4.4 Pengujian Keluaran Arus Konstan
Pengujian Arus konstan digunakan untuk mengetahui hambatan maksimal yang masih bisa diatasi oleh sumber arus konstan. Pengujian ini dilakukan dengan menggunakan variabel resistor yang diubah-ubah nilainya, Setiap pengujian dilakukan pada frekuensi 100Hz, 150Hz, 300Hz, 500Hz, 1000Hz, dan 10.000Hz 3.3.4.4.5 Pengujian Pada Fantom
sepotong wortel, dan fantom ketiga menggunakan daging sapi yang diselipkan segumpal lemak dalam daging tersebut.
